霸王河渡槽替代工程設計方案探討

劉子翔，田 欣

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

1 工程概況

石頭河水庫灌區位于關中西部,灌溉寶雞市岐山、眉縣兩縣11個鄉鎮,總人口32.44萬人,控制灌溉面積37萬畝,有效灌溉面積29萬畝。霸王河渡槽位于灌區東干渠第二級渠道,是東干渠上的重點跨河建筑物之一和重要咽喉要道。霸王河渡槽工程位于陜西省眉縣境內,渡槽全長1566.32 m,高18 m,始建于1981年,1986年建成通水。渡槽為預制安裝的等截面懸鏈線混凝土雙曲拱,矩形槽箱結構,由35跨和兩邊各有一個半跨組成,最大凈跨39.7 m,槽身凈寬2.8 m,凈深2.2 m,輸水設計流量8.0 m3/s,加大流量10.0 m3/s,比降1/1000,其控制著灌區下游16萬畝的農田灌溉面積。

2 問題的提出

霸王河渡槽投入運行37年來,老化破損較普遍,槽壁、底板沖蝕破壞,出現大量蜂窩、麻面、伸縮縫老化,局部滲漏嚴重；內壁局部出現表面明顯裂縫；混凝土碳化、局部風蝕較嚴重；保護層脫落,鋼筋銹蝕、糙率增大,達不到設計過流能力。2020年6月對霸王河渡槽進行安全鑒定工作,《安全鑒定評價報告》對霸王河渡槽現場安全檢測質量評定及工程復核計算分級評價均為C級,霸王河渡槽工程安全類別為“四類渡槽”。渡槽目前承擔著西安、咸陽、楊凌等大中城市供水和灌區農業灌溉的雙重任務,且是咸陽、楊凌供水的唯一地表水源,供水保證率更是要求高達95%以上,其重要性尤為突出。由于渡槽常年行水運行,無法進行檢修維護,一旦出險,整個供水工程將癱瘓,導致農業灌溉和城市供水中斷,因此進行霸王河渡槽替代工程的設計研究是十分必要的。根據現狀渡槽實際情況并結合地形地質條件,新建替代工程采用渡槽方案和倒虹方案進行比選。

3 渡槽方案比選

新建渡槽各比選方案軸線相同,位于原渡槽北側,與原渡槽軸線相距50 m。總長度1579.246 m,在起末點分別布置進、出水閘,與原渡槽上下游連接段進行連接。渡槽上游連接段長10.532 m（其中進水閘長4 m）,槽身段長1558.182 m,渡槽段比降為1/1000。下游連接段長10.532 m（其中出水閘長4 m）。渡槽下部支撐結構型式從經濟、美觀、施工方便等方面考慮,本次進行了重力墩預應力槽箱、重力墩預應力T梁、拱式方案的比較。

3.1 重力墩預應力槽箱簡支方案

（1）槽箱布置

渡槽上部型式采用C50預應力簡支梁式槽身,槽箱斷面為箱型結構,斷面尺寸3.0 m×2.3 m（寬×高）,槽箱底板、側墻、頂板厚度分別為0.4 m、0.3 m、0.25 m,底部貼角0.3 m×0.15 m,頂部貼角0.5 m×0.2 m。槽箱橫斷面見圖1。

圖1 預應力槽箱橫斷面

（2）重力墩布置

渡槽跨度較大,下部支撐結構采用鋼筋砼實體重力墩型式,重力墩高度9.9 m～23.9 m,采用現澆C30鋼筋砼結構型式,經計算,1#～40#（8#、16#、24#、32#除外）重力墩頂部斷面尺寸為2.24 m×4.14 m（縱向×橫向）,側面均以40∶1的坡度向下放坡。墩頂部平臺厚0.8 m,平面尺寸6.74 m×2.64 m（橫向×縱向）。每個墩頂平臺上放置4塊橡膠支座,平臺兩側布置防震擋塊。根據《灌溉與排水工程設計標準》,多跨簡支式渡槽每隔7跨～10跨應設置一個加強墩,本次設計8#、16#、24#、32#為加強墩,斷面尺寸為頂部2.24 m×4.14 m（縱向×橫向）,側面以10∶1的坡度向下放坡。

重力墩下基礎采用剛性承臺,尺寸為9.6 m×6.0 m×2.0 m（橫向×縱向×厚）,加強墩承臺尺寸9.6 m×7.0 m×2.0 m,基礎下布設鋼筋砼灌注樁,樁徑1.2 m,樁長12.0 m,間排距3.6 m。

3.2 重力墩預應力T梁簡支方案

重力墩布置間距、型式同重力墩預應力槽箱簡支方案,重力墩上布置預應力T梁,T梁上放置普通鋼筋砼槽箱。

（1）槽箱布置

槽箱采用C30現澆鋼筋砼箱型結構,直接放置于T梁上,槽箱本身結構不受力,僅作為輸水通道。槽箱分段長度10 m,斷面尺寸3.0 m×2.3 m（寬×高）,底板厚度0.3m,側墻及頂板厚度0.25 m。

（2）T梁布置

T梁采用C50預應力鋼筋砼結構,支撐于重力墩上,作為縱向受力結構,T梁跨度42 m,高度2.5 m,肋板厚0.2 m,翼緣寬度2.25 m,厚0.16 m,肋板下部加厚部位厚度為0.6 m,高度0.35 m。T梁斷面見圖2。

圖2 預應力T梁斷面圖

（3）重力墩布置

重力墩高度7.4 m～21.4 m,采用現澆C30鋼筋砼結構型式,重力墩和下部基礎體型尺寸同上述重力墩預應力槽箱簡支方案。

3.3 拱式方案

拱式方案下部支撐結構拱圈采用肋拱,跨度布置為45.5 m,拱圈下部支撐墩采用實心重力墩型式,拱圈上布置排架支撐槽箱,排架間距6.5 m,槽箱采用普通簡支梁式槽箱,上下游副跨段布置型式同重力墩簡支方案。

（1）槽箱布置

新建拱式渡槽上部型式采用簡支梁式槽身,每拱跨上布置7小跨,每跨6.5 m,對稱布置,槽箱采用現澆C30鋼筋砼箱型結構,斷面尺寸3.0 m×2.3 m（寬×高）,底板厚度0.3 m,側墻及頂板厚度0.25 m,底板、頂板與側墻連接處加貼角,尺寸0.2 m×0.2 m。上下游各3 跨采用C50 預應力鋼筋砼槽箱（斷面型式同重力墩預應力槽箱方案）。拱圈上槽箱橫斷面見圖3。

圖3 拱圈上槽箱橫斷面

圖4 倒虹方案橫斷面圖（過灘地段）

（2）渡槽下部支承設計

渡槽下部支承結構主跨支撐形式為排架式肋拱結構,副跨布置為重力墩簡支型式。渡槽共布置36個支撐重力墩,其中拱墩中墩為30個,邊墩為2個,上下游副跨重力墩4個（型式同重力墩簡支方案）。拱上排架間距6.5 m,對稱布置。

拱上排架高度2.86 m～9.13 m,采用現澆C30鋼筋砼結構型式,排架采用兩根立柱中間每隔3 m用拉桿連接,立柱斷面尺寸為0.4 m×0.6 m,排架拉桿斷面尺寸為0.35 m×0.5 m。排架頂部平臺厚0.5 m,平面尺寸4.4 m×1.2 m（橫向×縱向）。每個排架頂部平臺上放置4塊橡膠支座,平臺兩側布置防震擋塊。

渡槽各方案綜合比較見表1。

表1 渡槽各方案比較表

從表1可以看出,各方案技術上均是可行的,各有優缺點。（1）施工工藝：重力墩預應力槽箱和預應力T梁方案僅槽箱或T梁采用預應力法施工,而拱式方案不但拱圈采用預應力施工,上下游兩端槽身也采用預應力法施工,拱圈對施工工藝要求非常嚴格,施工難度大,從施工工藝來說重力墩簡支方案施工相對簡單,拱式方案工藝復雜,施工難度大。（2）基礎處理：重力墩簡支方案對基礎要求較拱式方案低,基礎處理相對簡單。（3）施工工期：重力墩簡支方案施工工期短,較拱式方案節省工期。（4）美觀性：拱式方案相對較為美觀,和景區內其它景點相協調。（5）工程投資：兩種重力墩簡支方案較拱式方案分別多952.86萬元、1663.88萬元。

綜合分析比較,在重力墩方案和拱式方案中推薦采用重力墩方案。對重力墩方案進一步比較得知,預應力T梁方案較預應力槽箱方案工程量更大,工期更長,工程投資多711.02萬元,因此在重力墩渡槽型式比較中推薦重力墩預應力槽箱簡支方案。

4 倒虹方案

（1）工程布置

新建倒虹設計流量8 m3/s,加大流量10 m3/s,全長1600.188 m。采用2根DN2200 地埋式預應力鋼筒砼管和鋼塑復合管（主河槽段）,其中預應力鋼筒砼管道長度1415.40 m,鋼塑復合管長度120 m。管中心間距為3.6 m,平面布置呈西北向東南走向,由進口段、管道段、出口段、鎮墩、閥井等部分組成。進出口設置平面彎道,中間段呈直線布置。

營頭隧洞出口連接處設置倒虹進口段,倒虹軸線與原渠道軸線相交于樁號DH0+000.000,進口段由4.233 m長原渠道拆除恢復段、6.032 m長引渠段、5.5 m長閘室段、10 m長陡坡漸變段和6 m長進水池組成,池后接管身段。管身基本順現狀地面鋪設,平坦段最小埋深不小于2 m,根據沖刷計算結果,主河槽段控制埋深不小于5.2 m。進水池后,倒虹向下斜穿西岸灘地,至主河槽處稍向下穿越主河槽、其后向上斜穿東岸灘地至小溝道,過溝后向上斜穿東岸灘地與出水池銜接。出水池長6 m,后接10 m長陡坡漸變段、4 m長閘室段和6.532 m長出口引渠段,4.986 m長原渠道拆除恢復段,倒虹軸線與原渠道軸線相交于樁號DH1+590.969,后與法牛塬隧洞進口銜接。

（2）管身橫斷面設計

過灘地段管身基礎采用0.5 m厚碎石墊層,0.25 m厚粗砂墊層；主河槽段鋼塑復合管采用外包砼型式,基礎采用0.6 m厚碎石墊層,0.15 m厚C20砼墊層。開挖深度大于6 m時,每6 m設置戧臺,左側戧臺寬度2.0 m,右側戧臺寬度4.0 m。管道周圍及管頂以上1.0 m范圍內回填土夾石要求人工夯實,其余回填采用機械回填壓實。

5 方案比較

對東干渠過霸王河的渡槽跨越方案和倒虹穿越方案進行工程布置、地質條件及基礎處理、施工條件及工期、工程占地、工程投資等方面綜合比較分析,見表2。

表2 渡槽、倒虹方案綜合比較表

經綜合比較分析,兩方案均不存在重大制約因素,從工程布置、施工條件看,兩方案各有優缺點,相比而言,倒虹方案采用雙管布置,具有輸水靈活性高,單管出事后,另一根管道可以滿足事故工況下過70%流量的要求,投資較低、工期較短、永久占地較小的優點,缺點是施工期需要修建兩期導流圍堰,施工導流工程量大、費用高,倒虹管埋于地下,事故隱患點不易發現,事故檢修時,需要采用臨時抽水泵站抽排后,方能檢修,相對運行管理不便；渡槽方案優點是施工導流費用小、檢修時不需要配置臨時泵站抽排,主體建筑物位于地面以上,相對運行、檢修、管理方便,缺點是事故檢修時需要全線停水,與東干渠長年不能停水的要求相違背,永久占地較大,且投資較高。基于兩方案以上優缺點分析,尤其是從永久占地方面比較,倒虹方案僅進出口、鎮墩、閥井局部有永久占地,而渡槽沿線呈條帶狀永久占地面積較大,倒虹方案少占永久占地4.63畝,《中華人民共和國土地管理法》中規定,國家保護耕地,嚴格控制耕地轉為非耕地,本工程應盡可能少占耕地,減小征地難度,綜合從工程投資、施工工期、工程占地等方面分析比較,推薦采用倒虹方案。

6 結語

本文以霸王河渡槽替代工程為研究對象,緊密結合農業灌溉和城市供水的工程任務,分別研究重力墩預應力槽箱簡支方案、重力墩預應力T梁簡支方案、拱式方案以及倒虹方案,綜合考慮工程任務、施工工藝、施工難度、施工工期及工程投資等方面,充分對比各方案的優缺點,結合工程的實際情況,最終決定采用倒虹方案。